Mô hình AI được huấn luyện trên gần 4 triệu hóa thạch thách thức câu chuyện về Năm cuộc đại tuyệt chủng

Bức tranh rõ nét hơn về những mất mát cổ đại

Một mô hình trí tuệ nhân tạo được huấn luyện trên gần bốn triệu hóa thạch cho thấy ba trong số năm cuộc đại tuyệt chủng nổi tiếng nhất của Trái Đất diễn ra dưới dạng suy giảm đa dạng sinh học dần dần, thay vì sụp đổ đột ngột. Bản tái dựng mang tên OneStrata đưa một bộ sưu tập khổng lồ các quan sát hóa thạch vào cuộc tranh luận về tốc độ biến mất của sự sống trong những cuộc khủng hoảng sinh học lớn nhất hành tinh.

Shuzhong Shen, nhà cổ sinh vật học tại Đại học Nam Kinh ở Trung Quốc, đã trình bày nghiên cứu tại một hội nghị của Hiệp hội Địa chất Hoa Kỳ ở Denver, bang Colorado, ngày 12 tháng 10. Các đồng nghiệp của ông tại Zhejiang Lab, một viện tập trung vào trí tuệ nhân tạo ở Hàng Châu, phát triển mô hình bằng cơ sở dữ liệu được xây dựng qua khoảng hai thập niên.

Vấn đề cốt lõi là thời điểm. Một đợt mất loài lớn kéo dài hàng trăm nghìn năm kể một câu chuyện khác với mức mất mát tương đương nhưng dồn trong một khoảng thời gian ngắn. Các nhà khoa học cần phân biệt những diễn biến này để hiểu các xáo trộn môi trường đã dẫn đến tuyệt chủng trên diện rộng như thế nào.

Những phát hiện này cũng góp thêm tiếng nói vào một cuộc tranh luận có từ trước thời trí tuệ nhân tạo. Một bài tổng quan học thuật đăng trên Cambridge Prisms: Extinction kết luận rằng Năm cuộc đại tuyệt chủng vẫn là năm sự kiện tuyệt chủng lớn nhất kể từ đầu kỷ Ordovic, nhưng nằm trong một phổ liên tục về cường độ tuyệt chủng thay vì tạo thành một nhóm riêng biệt về mặt thống kê.

Đá trở thành dòng thời gian như thế nào

OneStrata dựa trên OneStratigraphy, một tập hợp dữ liệu ghi lại độ sâu của hàng triệu mẫu hóa thạch trong các lớp đá tại hàng chục nghìn địa điểm trên toàn thế giới. Mỗi quan sát giúp xác định vị trí của sinh vật trong lịch sử được lưu giữ tại một địa điểm cụ thể.

Đá trầm tích tích tụ thành các lớp gọi là địa tầng. Vị trí của hóa thạch trong những lớp này giúp các nhà nghiên cứu xác định thời điểm một sinh vật sống so với những sinh vật khác. Việc kết hợp nhiều chuỗi địa tầng cho phép họ ước tính thời điểm các loài xuất hiện, tồn tại trong bao lâu và biến mất khi nào.

Khi ghép các hồ sơ tại từng địa điểm lại với nhau, các nhà nghiên cứu phải giải quyết một bài toán đối chiếu khổng lồ. Một loài được tìm thấy ở nhiều địa điểm có thể giúp kết nối các chuỗi địa tầng, nhưng toàn bộ công việc liên quan đến hàng chục nghìn loài và nhiều đoạn địa tầng không đầy đủ. Việc tìm ra trật tự nhất quán từ tất cả những quan sát này đòi hỏi năng lực tính toán đáng kể.

Các phương pháp tái dựng truyền thống đơn giản hóa bài toán bằng cách nhóm hóa thạch thành những khoảng thời gian kéo dài hàng triệu năm. Các khoảng thời gian rộng này giúp việc so sánh toàn cầu trở nên khả thi, nhưng đồng thời nén những biến đổi ngắn hơn vào một khoảng lớn hơn nhiều. Vì vậy, một đợt tuyệt chủng ngắn và một đợt suy giảm kéo dài có thể khó phân biệt.

Mô hình AI làm khác ra sao

Các nhà nghiên cứu tại Zhejiang Lab huấn luyện mô hình để nhận diện những kiểu mẫu thống kê trong hồ sơ hóa thạch. Cách tiếp cận này có nét tương đồng khái quát với cách một mô hình ngôn ngữ lớn học các kiểu mẫu trong văn bản, dù mô hình này xử lý các quan sát địa chất thay vì câu chữ.

Mô hình ngôn ngữ sử dụng các mối liên hệ đã học để dự đoán từ tiếp theo có khả năng xuất hiện. OneStrata sử dụng các kiểu mẫu trong dữ liệu huấn luyện để dự đoán thời điểm một hóa thạch cụ thể có khả năng được lắng đọng nhất. Những ước tính đó hỗ trợ việc tái dựng đa dạng sinh học qua thời gian địa chất.

Shen mô tả cách tiếp cận này là bước tiến lớn trong nghiên cứu các lớp đá và sự biến đổi đa dạng sinh học:

một cuộc cách mạng thực sự trong nghiên cứu địa tầng và những biến đổi đa dạng sinh học trong quá khứ

Những người phát triển mô hình cho biết bản tái dựng cho thấy ba trong Năm cuộc đại tuyệt chủng là những đợt suy giảm đa dạng sinh học dần dần. Mô tả nghiên cứu không nêu rõ ba sự kiện nào hoặc thời lượng ước tính của chúng. Những chi tiết đó rất cần thiết để so sánh kết quả với bằng chứng từ các địa điểm hóa thạch riêng lẻ.

Ưu thế thực tiễn của OneStrata nằm ở quy mô. Trước đây, các nhà nghiên cứu chạm đến giới hạn mà việc bổ sung thêm loài và rút ngắn khoảng cách giữa các ước tính đòi hỏi lượng tính toán không khả thi. Học các kiểu mẫu từ một cơ sở dữ liệu lớn mang đến một cách khác để giải quyết giới hạn đó.

Bước đột phá trước đó làm nền tảng cho OneStrata

Shen và các đồng nghiệp đã chứng minh giá trị của việc kết hợp những bộ dữ liệu hóa thạch lớn từ năm 2020. Bản tái dựng của họ sử dụng siêu máy tính và một thuật toán để ước tính thời điểm xuất hiện và tuyệt chủng của khoảng 11.000 loài sinh vật biển trong khoảng 300 triệu năm, với độ phân giải thời gian khoảng 26.000 năm.

Bài tổng quan trên Cambridge mô tả cụ thể hơn phân tích của Trung Quốc: 3.112 mặt cắt đá được đo đạc, 11.268 loài và độ phân giải 0,026 triệu năm, với mức dao động được báo cáo là 0,0149 triệu năm. Phương pháp này, gọi là CONOP, tìm kiếm trật tự xuất hiện và biến mất của hóa thạch phù hợp nhất với các quan sát ở những mặt cắt khác nhau.

Quá trình phát triển các bản tái dựng này trải qua một số cột mốc:

• 1982: David Raup và Jack Sepkoski xác định Năm cuộc đại tuyệt chủng thông qua phân tích thống kê dữ liệu hóa thạch sinh vật biển.
• 2020: Shen và các đồng nghiệp tái dựng khoảng 300 triệu năm đa dạng sinh vật biển bằng hàng nghìn chuỗi địa tầng và một siêu máy tính.
• Ngày 12 tháng 10: Shen trình bày nghiên cứu mới hơn về OneStrata tại hội nghị của Hiệp hội Địa chất Hoa Kỳ ở Denver.

Độ phân giải được cải thiện đáng kể. Phân tích ban đầu năm 1982 sử dụng các kỳ địa chất có độ dài trung bình 7,4 triệu năm. Lấy 7,4 triệu chia cho 26.000 cho kết quả khoảng 285, cho thấy các khoảng thời gian trong bản tái dựng năm 2020 ngắn hơn nhiều đến mức nào. Thách thức mà OneStrata tìm cách giải quyết là áp dụng độ phân giải cao như vậy cho những bộ dữ liệu lớn hơn.

Vì sao con số năm trở nên quen thuộc

Năm cuộc đại tuyệt chủng gồm sự kiện cuối kỷ Ordovic, cuối kỷ Devon, cuối kỷ Permi, cuối kỷ Trias và cuối kỷ Phấn Trắng. Cách phân nhóm quen thuộc này phản ánh quy mô của chúng trong hồ sơ hóa thạch động vật biển và các phương pháp thống kê được sử dụng để nghiên cứu.

Bài tổng quan về các cuộc đại tuyệt chủng trên Cambridge Prisms: Extinction giải thích rằng nghiên cứu sau này đã điều chỉnh cách diễn giải ban đầu. Năm sự kiện này vẫn là những sự kiện lớn nhất kể từ đầu kỷ Ordovic, kể cả trong các phân tích đã hiệu chỉnh những khoảng trống trong hồ sơ hóa thạch và địa tầng. Tuy nhiên, cường độ tuyệt chủng tạo thành một phổ liên tục từ những mất mát nhỏ hơn đến các cuộc khủng hoảng lớn nhất.

Bài tổng quan cũng xác định một số giai đoạn trong kỷ Cambri và đầu kỷ Ordovic có tỷ lệ tuyệt chủng cao hơn Năm cuộc đại tuyệt chủng. Do đó, việc nêu đích danh đúng năm sự kiện phụ thuộc vào lựa chọn về phần lịch sử địa chất được đem ra so sánh và cách đo lường tổn thất.

Theo bài tổng quan, một số sự kiện diễn ra tương đối đột ngột, trong khi những sự kiện khác kéo dài hàng trăm nghìn năm hoặc lâu hơn. OneStrata bổ sung một bản tái dựng mới vào cuộc thảo luận khoa học hiện có về sự khác biệt trong diễn biến của các cuộc khủng hoảng này.

Vì sao thời gian kéo dài của một cuộc tuyệt chủng quan trọng

Sự kiện cuối kỷ Trias cho thấy thang thời gian được chọn có thể làm thay đổi cách nhìn về tốc độ của một cuộc khủng hoảng. Bài tổng quan trên Cambridge lưu ý rằng giai đoạn cuối của kỷ Trias có thể kéo dài tới bảy triệu năm. Nghiên cứu được trích dẫn trong bài tổng quan xác định một cuộc khủng hoảng oxy đại dương liên quan kéo dài khoảng 50.000 năm, chưa đến 1% khoảng thời gian đó.

Cuộc khủng hoảng này có liên quan đến Tỉnh Magma Trung Đại Tây Dương, một đợt hoạt động núi lửa rộng lớn. Các vùng nước được mô tả là thiếu oxy có rất ít hoặc không có oxy, tạo ra điều kiện nguy hiểm cho những loài động vật phụ thuộc vào oxy hòa tan trong nước biển.

Phân bố tổn thất trên toàn bộ một kỳ địa chất khiến tỷ lệ tuyệt chủng tính được thấp hơn nhiều so với khi dồn chúng vào cuộc khủng hoảng ngắn hơn. Bài tổng quan ước tính tỷ lệ thực có thể cao gấp khoảng 100 lần tỷ lệ suy ra từ các khoảng thời gian toàn cầu rộng hơn.

Hóa thạch thất lạc tạo thêm một khó khăn. Hóa thạch cuối cùng được tìm thấy của một loài có thể xuất hiện trước thời điểm loài đó thực sự tuyệt chủng, vì những di tích về sau không được bảo tồn, lộ ra hoặc thu thập. Với nhiều loài, những khoảng trống này có thể đẩy lùi thời điểm biến mất được ghi nhận, khiến một sự kiện tập trung có vẻ diễn ra dần dần hơn. Các nhà cổ sinh vật học gọi đây là hiệu ứng Signor–Lipps.

Matthew Clapham, nhà cổ sinh vật học tại Đại học California, Santa Cruz, đưa ra đánh giá thận trọng về tiềm năng của OneStrata và chỉ ra những bản tái dựng chi tiết đã có tại các địa điểm cụ thể:

Chúng ta có thể làm thêm một số việc với nó, nhưng tôi không biết liệu nó có gây chấn động Trái Đất hay không,

Các mặt cắt đá tại địa phương và mô hình toàn cầu trả lời những câu hỏi liên quan nhưng ở quy mô khác nhau. Địa điểm riêng lẻ có thể lưu giữ chi tiết tinh vi về một cuộc khủng hoảng, trong khi bản tái dựng toàn cầu tìm kiếm một kiểu mẫu nhất quán ở nhiều nơi. So sánh hai loại dữ liệu này là điều cốt yếu để hiểu liệu một đợt suy giảm dần dần phản ánh lịch sử sinh học, những khoảng trống trong quá trình bảo tồn hay cách các hồ sơ được kết hợp.

Cách đếm tổn thất cũng làm thay đổi bức tranh

Sự kiện tuyệt chủng cuối kỷ Permi cho thấy đơn vị được đếm cũng quan trọng không kém thang thời gian. Bài tổng quan trên Cambridge đưa ra các ước tính tổn thất dao động từ 56% đến 69% ở cấp chi, tùy theo phân tích. Chi là một nhóm gồm các loài có quan hệ gần gũi, vì vậy mất một chi và mất một loài thể hiện mức độ đa dạng sinh học khác nhau.

Các nhà cổ sinh vật học thường đếm số chi vì hóa thạch chỉ bảo tồn một phần giải phẫu của sinh vật, khiến việc nhận diện loài nhất quán trở nên khó khăn hơn. Một chi vẫn có thể tồn tại ngay cả khi một số loài thuộc chi đó biến mất, miễn là còn lại ít nhất một loài.

Bài tổng quan dẫn một phép tính ước tính 81% số loài đã biến mất trong sự kiện cuối kỷ Permi, so với mức ước tính tối đa 96% thường được nhắc đến từ một phân tích cũ hơn. Cả hai đều mô tả một tổn thất khổng lồ, nhưng sự chênh lệch cho thấy cách quy đổi tổn thất ở cấp chi thành tổn thất ở cấp loài ảnh hưởng đến con số cuối cùng ra sao.

Các mục trong cơ sở dữ liệu cũng đo lường những khía cạnh khác nhau. Vào thời điểm bài tổng quan được thực hiện, Cơ sở dữ liệu Cổ sinh vật học lưu giữ hơn 1,5 triệu ghi nhận từ 225.000 bộ sưu tập hóa thạch và 82.000 ấn phẩm. Hàng triệu mẫu vật cùng vị trí của chúng trong các lớp đá của OneStratigraphy cung cấp một loại thông tin khác. Mức độ hữu ích của một bộ dữ liệu phụ thuộc vào các quan sát, phạm vi bao phủ và độ chính xác, chứ không chỉ quy mô.

Cuộc tranh luận này có ý nghĩa gì với khủng hoảng đa dạng sinh học ngày nay

Bài tổng quan trên Cambridge kết nối thảo luận về các cuộc tuyệt chủng cổ đại với những mất mát hiện nay. Bài viết mô tả tốc độ tuyệt chủng hiện nay có thể là nhanh thứ hai trong nửa tỷ năm qua, chỉ sau sự kiện va chạm tiểu hành tinh cuối kỷ Phấn Trắng, đồng thời nhận định tổng số vụ tuyệt chủng cho đến nay vẫn tương đối nhỏ so với các cuộc khủng hoảng cổ đại lớn nhất.

Tốc độ và tổng mức mất mát mô tả những khía cạnh khác nhau của vấn đề. Tốc độ đo lường mức nhanh chóng các loài biến mất. Tổng mức mất mát đo lường phần đa dạng sinh học đã biến mất. Tốc độ cao có thể đòi hỏi hành động khẩn cấp trong khi phần lớn các loài vẫn còn tồn tại.

Bài tổng quan đề xuất cụm từ "cuộc đại tuyệt chủng khởi phát trong Nhân sinh" thay cho "cuộc đại tuyệt chủng thứ sáu". Từ "khởi phát" có nghĩa là đang bắt đầu hình thành. Cách diễn đạt này thể hiện kết luận rằng cuộc khủng hoảng đã bắt đầu và hành động vẫn có thể ngăn nó đạt đến quy mô của những đợt mất mát cổ đại lớn nhất.

OneStrata đưa cuộc thảo luận trở lại một nhiệm vụ khoa học cụ thể: tái dựng thời điểm sinh vật sống và biến mất với độ chính xác đủ để hiểu tốc độ biến đổi. Các kết quả được công bố thách thức hình dung đơn giản về năm thảm họa đột ngột. Các tài liệu hóa thạch rộng hơn vốn đã mô tả một lịch sử đa dạng hơn, trong đó các sự kiện khác nhau về tốc độ, quy mô và môi trường chịu tác động.

Những điểm chính

• OneStrata được huấn luyện trên gần bốn triệu hóa thạch và cho thấy ba trong Năm cuộc đại tuyệt chủng là những đợt suy giảm đa dạng sinh học dần dần.
• Mô hình sử dụng OneStratigraphy, cơ sở dữ liệu ghi lại vị trí hóa thạch trong các chuỗi địa tầng tại hàng chục nghìn địa điểm trên toàn thế giới.
• Một bản tái dựng năm 2020 theo dõi khoảng 11.000 loài sinh vật biển trong khoảng 300 triệu năm, với độ phân giải khoảng 26.000 năm.
• Bài tổng quan trên Cambridge nhận định Năm cuộc đại tuyệt chủng vẫn là những sự kiện lớn nhất kể từ đầu kỷ Ordovic, nằm trong một phổ liên tục về cường độ tuyệt chủng.
• Những khoảng trống trong quá trình bảo tồn, thang thời gian được sử dụng và các nhóm sinh vật được đếm đều ảnh hưởng đến ước tính về tốc độ và mức độ nghiêm trọng của tuyệt chủng.
• Bài tổng quan mô tả tốc độ tuyệt chủng ngày nay là đặc biệt cao, đồng thời kết luận rằng hành động vẫn có thể ngăn tổn thất đạt quy mô của những cuộc khủng hoảng cổ đại lớn nhất.